Question

二甲醚（CH₃OCH₃）是無色氣體，可作為一種新型能源。由合成氣（組成為H₂、CO和少量的CO₂）直接制備二甲醚，其中的主要過程包括以下四個(gè)反應(yīng)：
甲醇合成反應(yīng)：
（i）CO(g) + 2H₂(g) = CH₃OH(g)               △H₁ = -90.1kJ?mol^-1
（ii）CO₂(g) + 3H₂(g) = CH₃OH(g) + H₂O(g)     △H₂ = -49.0kJ?mol^-1
水煤氣變換反應(yīng)：
（iii）CO(g) + H₂O(g) = CO₂(g) + H₂ (g)      △H₃ = -41.1kJ?mol^-1
二甲醚合成反應(yīng)：
（iV）2 CH₃OH(g) = CH₃OCH₃(g) + H₂O(g)        △H₄ = -24.5kJ?mol^-1
回答下列問題：
（1）Al₂O₃是合成氣直接制備二甲醚反應(yīng)催化劑的主要成分之一。工業(yè)上從鋁土礦制備較高純度Al₂O₃的主要工藝流程是                                                     （以化學(xué)方程式表示）。
（2）分析二甲醚合成反應(yīng)（iV）對(duì)于CO轉(zhuǎn)化率的影響                          。
（3）由H₂和CO直接制備二甲醚（另一產(chǎn)物為水蒸氣）的熱化學(xué)方程式為           。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，分析增加壓強(qiáng)對(duì)直接制備二甲醚反應(yīng)的影響                      。
（4）有研究者在催化劑（含Cu—Zn—Al—O和Al₂O₃）、壓強(qiáng)為5.0MPa的條件下，由H₂和CO直接制備二甲醚，結(jié)果如下圖所示。其中CO轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低的原因是      。

（5）二甲醚直接燃料電池具有啟動(dòng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，其能量密度等于甲醇直接燃料電池（5.93kW?h?kg^-1）。若電解質(zhì)為酸性，二甲醚直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為             ，一個(gè)二甲醚分子經(jīng)過電化學(xué)氧化，可以產(chǎn)生     個(gè)電子的能量；該電池的理論輸出電壓為1.20V，能量密度E =                                                             （列式計(jì)算。能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量，1 kW?h = 3.6×10⁶J）。

Answer 1

（1）Al₂O₃(鋁土礦) + 2NaOH + 3H₂O = 2NaAl(OH)₄
NaAl(OH)₄ + CO₂ = Al(OH)₃↓ + NaHCO₃，2Al(OH)₃Al₂O₃+ 3H₂O
（2）消耗甲醇，促進(jìn)甲醇合成反應(yīng)（i）平衡右移，CO轉(zhuǎn)化率增大；生成的H₂O，通過水煤氣變換反應(yīng)（iii）消耗部分CO。
（3）2CO(g) + 4H₂(g) = CH₃OCH₃ + H₂O(g)   △H = -204.7kJ?mol^-1 
該反應(yīng)分子數(shù)減少，壓強(qiáng)升高使平衡右移，CO和H₂轉(zhuǎn)化率增大，CH₃OCH₃產(chǎn)率增加。壓強(qiáng)升高使CO和H₂濃度增加，反應(yīng)速率增大。
（4）反應(yīng)放熱，溫度升高，平衡左移。
（5）CH₃OCH₃ + 3H₂O = 2CO₂ + 12H⁺ + 12e^-       12
=8.39kW·h·kg^-1

解析（1）從鋁土礦制備較高純度Al₂O₃的主要工藝流程：鋁土礦用氫氧化鈉溶液溶解，Al₂O₃+ 2NaOH + 3H₂O = 2NaAl(OH)₄，鋁元素在溶液中以NaAl(OH)₄存在，在溶液中通入二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行酸化，NaAl(OH)₄ + CO₂ = Al(OH)₃↓ + NaHCO₃，過濾得到Al(OH)₃沉淀，高溫煅燒，2Al(OH)₃Al₂O₃+ 3H₂O，得到較高純度Al₂O₃。
（2）根據(jù)四個(gè)反應(yīng)方程式可知：二甲醚合成反應(yīng)（iV）中消耗甲醇，促進(jìn)甲醇合成反應(yīng)（i）平衡右移，CO轉(zhuǎn)化率增大；生成的H₂O，通過水煤氣變換反應(yīng)（iii）消耗部分CO。
（3）根據(jù)題目所給條件和蓋斯定律，由H₂和CO直接制備二甲醚的熱化學(xué)方程式為2CO(g) + 4H₂(g) = CH₃OCH₃ + H₂O(g)   △H = -204.7kJ?mol^-1。該反應(yīng)為分子數(shù)減少的反應(yīng)，增加壓強(qiáng)使平衡右移，CO和H₂轉(zhuǎn)化率均增大，CH₃OCH₃產(chǎn)率增加。增加壓強(qiáng)使CO和H₂濃度增加，反應(yīng)速率增大。
（4）由H₂和CO直接制備二甲醚，由于該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，CO轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低。
（5）根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物，二甲醚直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=
2CO₂+12H⁺，根據(jù)方程式可知:一個(gè)二甲醚分子經(jīng)過電化學(xué)氧化，可以產(chǎn)生12個(gè)電子的能量；根據(jù)能量密度的計(jì)算公式，E = =8.39kW·h·kg^-1。
【考點(diǎn)定位】反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、電化學(xué)、化學(xué)計(jì)算